Additiv fremstilling
Laserfremstillede keramik kan revolutionere luftfart
Hvorfor keramik er vigtigt i luftfart
Aerospace materials often use rare metals, for example, titanium, rhenium, iridium, or tungsten (follow the links for a dedicated investment report about each of these rare technological metals). This gives the planes and spaceship frames, turbines, reactor exhausts, and other critical components the resistance to heat and mechanical stress required by the extreme conditions required for flying.
En anden kategori af materialer, der anvendes, er keramik. Disse materialer adskiller sig fra metal ved, at de oprindelige komponenter ofte er relativt almindelige mineraler. Men den rette kombination af mineraler fremstillet under de rette betingelser kan have ekstraordinære egenskaber. For eksempel er de fleste af de fliser, der kan håndtere den ekstreme varme ved genindtræden i atmosfæren for rumskibe, lavet af keramik.
Kilde: NASA
Keramiske materialer smeltes ikke (som metal) men sinteres, en proces, der er mere lig den, hvormed glas fremstilles. Kun nogle af de smeltede/vitrificerede forbindelser holder sammen med umeltede partikler.
Kilde: Hengko
Derudover kræver sintering, at råmaterialerne placeres i en ovn, der kan nå temperaturer på mindst 2.200 °C (4000°F). Det er en meget energikrævende og tidskrævende proces.
Fire forskere ved North Carolina State University har muligvis opdaget en alternativ metode til fremstilling af højtydende luftfartskeramik ved brug af laser.
They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society1, under the title “Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor”.
UHTC’ers rolle i luftfartsingeniørkunst
Hvorfor traditionel keramikproduktion fejler
Ultrahøjtemperaturkeramikker (UHTC’er) er en klasse af materialer designet til at modstå ekstreme miljøer på grund af deres enestående termiske stabilitet, høje smeltepunkter (>3000°C), høje styrke og modstand mod oxidation og termisk chok.
Af disse materialer skiller hafniumcarbid (HfC) sig ud som en af de mest lovende kandidater med et smeltepunkt >3900°C samt høj hårdhed, elasticitet og termisk ledningsevne.
Desværre har HfC indtil videre været svært at producere og meget dyrt som følge heraf. Storskalaproduktion af HfC med ensartet kvalitet har især været et problem, da betydelige mikrostrukturelle uoverensstemmelser fører til strukturelle fejl.
Nye teknikker overvejes, især ovnbaseret polymer-afledt keramik (PDC), men de giver kun et dårligt udbytte af flydende til keramik på 11% til 21%.
Ud over disse produktionsproblemer er metoderne ikke kompatible med additiv fremstilling (3D-print). Så de er kun kompatible med simple former, der kan laves med forme, såsom massive, cylindriske eller kubiske geometrier.
Hvordan lasersinterning transformer keramikproduktion
Mange 3D-printmetoder udnytter allerede laser til at skabe komplekse former, som ellers er umulige med traditionelle støbe- og smedeteknikker. Dette ændrer radikalt, hvordan turbiner til jetmotorer og raketmotorer fremstilles.
Forskerne overvejede tilgangen ved brug af en selektiv laserreaktionspyrolyse (SLRP) metode.
I stedet for de mange trin i ovnmetoder til keramikfremstilling, samler dette i ét trin polymerkonversionen til keramik og pyrolyse.
Den flydende forløber kan påføres strukturets overflade og derefter sinteres med laser.
The laser used in the demonstration is relatively powerful for a laser (a 120W (CO2) gas laser), but also very low energy compared to traditional furnaces used for hafnium carbide production.
Test af keramiske tilsætningsstoffer til laserbehandling
Two additives were also tested to see if the process could be made even more efficient: dicumyl peroxide (DCP), a thermal activator; and benzophenone (BZP), a photo-activator.
DCP had at best a minimal effect, while BZP significantly reduces energy reflection, enhancing the precursor’s absorption of infrared energy.
Elektronmikroskopbilleder viste en ensartet fordeling af kugleformede og facetterede HfC-korn under alle temperaturforhold (1700°C, 1800°C og 2000°C). Større kornklumper ved højere temperaturer indikerer en tættere keramik.
“Dette er første gang, vi kender til, at nogen har kunnet skabe HfC af denne kvalitet fra en flydende polymerforløber”
Cheryl Xu – Professor i maskin- og luftfartsingeniør ved North Carolina State University.
Lasersinterning vs. ovn: Hvilken er bedre?
Besides saving energy, the laser sintering developed here is much more efficient. Furnace-based sintering achieves a ∼20%–40% crosslinked liquid-to-ceramic yield at best, while laser-based sintering achieves a ∼50%–55% yield.
This is also a lot quicker, as furnaces require hours or even several days, while the laser performs the task in seconds or minutes.
The peak temperature of the laser is also higher, allowing for more complex geometries, better coatings, thin films, and work in only one step.
“Endelig er vores teknik relativt bærbar. Ja, den skal udføres i et inert miljø, men transport af et vakuumkammer og additiv fremstillingsudstyr er meget lettere end at transportere en kraftfuld, storstilet ovn.
Cheryl Xu – Professor i maskin- og luftfartsingeniør ved North Carolina State University.
Fremvoksende anvendelser af lasersinternet keramik
Indtil nu har HfC kun kunnet anvendes på substrater, der kunne håndtere den ekstremt høje temperatur i en ovn over en længere periode.
Laserprocessen, der er opfundet her, er meget mindre destruktiv og skaber et meget bredere område af mulige anvendelser.
“Fordi sinteringsprocessen ikke kræver, at hele strukturen udsættes for ovnens varme, giver den nye teknik lovende muligheder for at påføre ultra-højtemperatur keramikbelægninger på materialer, der kan blive beskadiget ved sintring i en ovn.”
Cheryl Xu – Professor i maskin- og luftfartsingeniør ved North Carolina State University.
For eksempel kan lasersinterning bruges til at skabe højkvalitets HfC-belægninger af kulfiberforstærkede kulkompositter (C/C):
“HfC-belægningerne på C/C-substrater er særligt nyttige, fordi kul/kul-strukturer, udover hypersoniske anvendelser, også bruges i raketdyser, bremseplader og luftfarts termiske beskyttelsessystemer såsom næsekegler og vingeforingskanter.”
Cheryl Xu – Professor i maskin- og luftfartsingeniør ved North Carolina State University.
Den mindre størrelse og bærbarhed af systemet kan også have en langsigtet effekt på teknologiens potentiale. For eksempel vil enhver in-situ produktion af luftfartsmaterialer på en måne- eller marsbase kræve relativt lille og lettere udstyr.
Investering i laserteknologier
II-VI Marlow / Coherent: En laserteknologisk leder
(COHR )
Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26.000 ansatte og en leder inden for laserteknologi. Det opstod som følge af fusionen mellem det avancerede materiale II-VI Marlow og laserproducenten Coherent.
Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der bruges i laser, optik og fotonik, såsom indiumfosfid, epitaktiske wafere og galliumarsenid.
Den voksede i høj grad takket være flere opkøb i det sidste årti, fra $600 mio. i omsætning i 2013 til $4,7 mia. i 2024.
Virksomheden får 29% af sin omsætning direkte fra laser, mens resten er knyttet til tilhørende udstyr som optisk fiber og elektronik. Instrumentationskategorien omfatter fortrinsvis livsvidenskab og medicinske anvendelser.
Kilde: Coherent
Virksomhedens tilstedeværelse inden for avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumcarbid, laser og elektronik hjælper den med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten i præcisionsfremstilling, additiv fremstilling (3D-print), elektrificering og vedvarende energier.
Virksomheden har for nylig adskilt sin siliciumcarbidforretning i en ny enhed, som ejes 75% af Coherent, mens resten ejes ligeligt af partnerne Mitsubishi Electric (der bidrager med siliciumcarbid-strøm-IP) og Denso (der bidrager med sin aktivitet som en billeverandør inden for elektrificering og effektsemikonduktorer).
Dette skyldes, at siliciumcarbid i stigende grad er sin egen teknologi, primært brugt i højtydende anvendelser som elbiler, batterier og vedvarende energi.
Coherent er en leder inden for LIDAR og 3D-digital sensing, herunder til selvkørende applikationer, bioteknologi Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells og laser til fremstilling af halvledere. Det forventer, at dets hovedmarkeder vil vokse med 8-20%.
Kilde: Coherent
De andre potentielle nye anvendelser af laser, såsom direkte energivåben, fotonisk computing, kernesfusion og rumteknologi, kan alle lige så meget bidrage til at opretholde virksomhedens langsigtede vækst.
Samlet set er Coherent så tæt på en “ren” børsnoteret laservirksomhed som muligt for investorer, der er interesserede i sektoren, med stærk vertikal integration og over 3.100 patenter, der beskytter deres innovationer.
Seneste Coherent (COHR) aktienyheder og udviklinger
Studie refereret
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor. Journal of the American Ceramics Society. 14 maj 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
